ГОЛОВКА ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 1995 года по МПК F02F1/24 F01P3/16 F02M61/14 

Изобретение относится к машиностроению и ремонту машин, а именно к конструкциям головки дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива.

Известна головка цилиндров, содержащая корпус, в котором размещены газовые патрубки с установленными в них клапанами, форсуночный стакан и форсунку.

Недостаток такой конструкции состоит в том, что при монтаже форсуночного стакана и форсунки возникают большие механические напряжения в зоне перемычки между форсуночным отверстием и отверстием под клапаны.

Прототипом предлагаемой конструкции является головка цилиндров дизеля с жидкостным охлаждением.

Данная головка цилиндров содержит корпус, в котором размещены газовые каналы с клапанными отверстиями и гнездами с установленными в них клапанами, отверстиями под распылитель топливной форсунки, форсуночный латунный стакан, топливную форсунку. Форсуночный стакан установлен в приливе корпуса головки цилиндров. Между носком форсуночного стакана и опорной поверхностью прилива под форсуночный стакан установлена медная уплотнительная шайба. Между форсункой и внутренней поверхностью стакана установлена медная гофрированная уплотнительная шайба. Форсуночный стакан поджимается гайкой.

Недостатком данной конструкции является наличие больших механических растягивающих напряжений, которые возникают вследствие поджатия форсуночного стакана и форсунки. Механические напряжения растяжения особенно значительны в зонах перемычек между отверстием под распылитель форсунки и клапанными отверстиями, где, как известно, находится зона максимальных температур корпуса головки цилиндров при работе дизельного двигателя. Следствием воздействия высоких температур является возникновение высоких термических напряжений.

Совместное действие механических растягивающих напряжений, возникающих после монтажа форсуночного стакана и форсунки и термических напряжений в зонах перемычки между отверстием под распылитель форсунки и клапанными отверстиями, приводит к появлению термоусталостных трещин в этих перемычках, тем самым уменьшая ресурс работы головки цилиндров.

Цель изобретения снижение механических растягивающих напряжений в зонах перемычек между отверстием под распылитель форсунки и клапанными отверстиями, которые значительно ускоряют появление и развитие термоусталостных трещин.

Это достигается тем, что в головке цилиндров дизеля с жидкостным охлаждением, содержащей газообменные каналы с гнездами клапанов, ступенчатое отверстие, выполненное в приливе корпуса головки для установки стакана форсунки и распылителя форсунки, причем между поверхностью стакана и опорной поверхностью прилива корпуса размещена шайба, опорная поверхность прилива вокруг отверстия под распылитель форсунки на диаметре, равном диаметру форсуночного стакана выполнена конической, диаметр шайбы равен диаметру форсуночного стакана, а ее высота hш определена в соответствии с зависимостью
h_ш≥ при этом угол α наклона образующей конуса к опорной поверхности прилива определен в соответствии с зависимостью
α arctg + (1^°-3^°) где k_σ- коэффициент максимальных напряжений;
d_ф диаметр носка форсунки;
g равномерно распределенная нагрузка от сил давления форсуночного стакана и форсунки.

[σ] допускаемый предел прочности при растяжении материала шайбы;
k_ω- коэффициент максимального прогиба;
E модуль упругости материала шайбы.

Предлагаемый вариант конструкции головки цилиндров отличается от прототипа наличием опорной шайбы и фаски вокруг отверстия под распылитель форсунки. Применение опорной шайбы с большей поверхностью контакта с опорной поверхностью в приливе корпуса головки под форсуночный стакан дает значительное снижение удельного давления от затяжек гаек крепления форсунки и форсуночного стакана.

Наличие фаски под опорной шайбой по диаметру носка форсунки исключает контакт опорной шайбы с опорной поверхностью прилива корпуса головки цилиндров в зоне давления носка форсунки, тем самым уменьшая механические напряжения на кромках отверстия под распылитель. Благодаря этому происходит снижение механических растягивающих напряжений, возникающих в зонах перемычек между отверстием под распылитель и клапанными отверстиями при монтаже форсунки и форсуночного стакана в среднем на 40-60%
На фиг. 1 изображена головка цилиндров, вертикальный разрез; на фиг. 2 показана зависимость сопротивления термоусталостной прочности (количество термоциклов нагружения до появления трещин) от величины механической нагрузки в перемычках между клапанными отверстиями и отверстием под распылитель головки цилиндров; на фиг. 3 зависимость динамики развития термоусталостных трещин от механической нагрузки в перемычках между клапанными отверстиями и отверстием под распылитель головки цилиндров; на фиг. 4 зависимость величины механических растягивающих напряжений, возникающих при монтаже форсунки и форсуночного стакана и затяжки силовых шпилек крепления головки цилиндра.

Головка цилиндров дизельного двигателя содержит корпус 1, в котором имеется прилив 2 с опорной поверхностью 3 для установки форсуночного стакана 4.

В прилив 2 на опорную поверхность 3 установлена опорная шайба 5, выполненная из закаленной конструкционной стали на медной подложке 6, с диаметром, равным диаметру форсуночного стакана 4, а ее высота определяется из выражения
h_ш≥ где h_ш высота опорной шайбы;
k_σ- коэффициент максимальных напряжений;
d_ф диаметр носка форсунки;
g распределенная нагрузка от силы давления форсунки и форсуночного стакана;
[σ] допускаемый предел прочности при растяжении материала шайбы.

На опорную шайбу 5 через медную подложку 7 установлен форсуночный стакан 4, который поджат гайкой 8. В форсуночном стакане установлена на медной шайбе 9 форсунка 10 с распылителем 11, который помещен в отверстие 12. В корпусе 1 головки цилиндров имеются газообменные каналы 13 с клапанными отверстиями 14 и клапанными гнездами 15. Вокруг верхней кромки отверстие 12 под распылитель 11 на опорной поверхности 3 выполнена фаска 16 коническая поверхность с наибольшим диаметром, равным диаметру носка форсунки 10.

Угол наклона образующей фаски определяется из выражения:
α arctg + (1^°-3^°) где α- угол наклона образующей фаски к опорной поверхности;
k_ω- коэффициент максимального прогиба;
g распределенная нагрузка от силы давления форсунки и форсуночного стакана;
d_ф диаметр носка форсунки;
E модуль упругости материала опорной шайбы;
h_ш высота опорной шайбы.

Головка цилиндров имеет днище 17, Опорная поверхность 3 в приливе 2 корпуса 1 головки цилиндров под установку форсуночного стакана 4 выполнена с диаметром равным диаметру форсуночного стакана 4. Вокруг отверстия 12 под распылитель 11 в верхней части выполнена фаска 16. При сборке головки цилиндров на подготовленную таким образом опорную поверхность 3 установлена опорная шайба 5 на медной подложке 6. На опорную шайбу 5 через медную подложку 7 установлен форсуночный стакан 4. В форсуночный стакан 4 установлена форсунка 10 с медной шайбой 9.

При работе двигателя происходят впрыск топлива через форсунку 10, подача воздуха через клапанные отверстия 14. Герметичность обеспечивается наличием медных уплотняющих шайб и подложек 6, 7, 9 и поджатием гайки крепления 8 форсуночного стакана 4.

Процесс впрыска топлива и завихрения рабочей смеси остается неизменным благодаря тому, что выступание носка распылителя 11 относительно днища 17 головки цилиндров осталось прежним за счет уменьшения толщины стенки носка форсуночного стакана и уменьшения толщины днища 17 корпуса 1 головки цилиндров.

Проведенные исследования выявили влияние величины механических напряжений от силы давления форсунки и форсуночного стакана в перемычках между отверстием под распылитель и клапанными гнездами на сопротивление термоусталостных этих перемычек (количество циклов термического нагружения до появления трещин). Нагрев производился до 550^оС (фиг. 2).

Установлена зависимость динамики развития термоусталостных трещин от уровня механической нагрузки в перемычках. Нагрев перемычек производился до 550^оС (фиг. 3).

1 нагрузка 90 МПа (форсуночный стакан + форсунка);
2 нагрузка 49 МПа (форсуночный стакан);
3 нагрузка 44 МПа (форсуночный стакан + форсунка) предлагаемый вариант);
4 нагрузка отсутствовала.

Измерение глубины трещин производилось прибором ЭПД-6.

Проведенное тензометрирование перемычек между отверстием под распылитель и клапанными отверстиями головки цилиндров показало снижение механических растягивающих напряжений в среднем на 40-50% (фиг. 4).

М1 момент затяжки гайки крепления форсуночного стакана;
М2 момент затяжки силовых шпилек крепления головок цилиндров к блоку;
М3 момент затяжки гайки крепления форсунки;
1 исходный вариант (прототип);
2 предлагаемый вариант.

Применение опорной шайбы большего диаметра позволяет значительно уменьшить механические растягивающие напряжения от силы давления форсуночного стакана и форсунки в зонах перемычек между отверстием под распылитель и клапанными отверстиями за счет большей площади, на которую передается нагрузка через опорную шайбу.

Наличие фаски под опорной шайбой, выполненной по диаметру носка форсунки, обеспечивает уменьшение механических растягивающих напряжений на кромках отверстия под распылитель форсунки со стороны камеры сгорания. Это происходит за счет наличия минимального зазора между опорной шайбой и кромками отверстия под распылитель форсунки со стороны носка форсуночного стакана.

На кромках форсуночного отверстия под распылитель со стороны камеры сгорания находится зона максимальных температур, которые обуславливают максимальные температурные напряжения. Воздействие температурных и механических напряжений на кромках отверстия под распылитель значительно ускоряет появление и развитие термоусталостных трещин. Уменьшив механические растягивающие напряжения от монтажа форсунки и форсуночного стакана в зонах перемычек между отверстием под распылитель и клапанными отверстиями, увеличится ресурс работы головки цилиндров за счет уменьшения количества и динамики развития трещин в этих зонах в процессе эксплуатации дизельного двигателя. Долговечность головки увеличится в 1,2 1,5 раза.

Использование: в конструкциях головок цилиндров дизелей с жидкостным охлаждением и непосредственным впрыском топлива. Сущность изобретения: головка цилиндров содержит корпус 1, газообменные каналы 13 с гнездами 15 клапанов, ступенчатое отверстие, выполненное в приливе 2 корпуса 1 головки для установки стакана 4 форсунки 10 и ее распылителя 12. Между поверхностью стакана 4 и опорной поверхностью 3 прилива 2 размещена опорной шайба 5. Опорная поверхность 3 прилива 2 вокруг отверстия под распылитель форсунки на диаметре, равном диаметру носка форсунки, выполнена конической, диметр шайбы 5 равен диаметру форсуночного стакана. Даны зависимости для определения высты шайбы и угла наклона образующей конуса и опорной поверхности прилива. 4 ил.

ГОЛОВКА ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, содержащая газообменные каналы с гнездами клапанов, ступенчатое отверстие, выполненное в приливе корпуса головки для установки стакана форсунки и распылителя форсунки, причем между поверхностью стакана и опорной поверхностью прилива корпуса размещена шайба, отличающаяся тем, что опорная поверхность прилива вокруг отверстия под распылитель форсунки на диаметре, равном диаметру носка форсунки, выполнена конической, диаметр шайбы равен диаметру форсуночного стакана, а ее высота h_ш определена в соответствии с зависимостью

при этом угол α наклона образующей конуса к опорной поверхности прилива определен в соответствии с зависимостью

где d_ф диаметр носка форсунки;
q распределительная нагрузка от силы давления форсуночного стакана и форсунки;
[σ] допускаемый предел прочности при растяжении материала шайбы;
K_ω коэффициент максимального прогиба;
E модуль упругости материала шайбы;
K_σ коэффициент максимальных напряжений.